通信基础项目教案.docx
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通信基础项目教案
数字通信技术
二0一四年九月
项目一：
数字终端技术
【教学目标】
知识与能力目标：
掌握数字终端技术信号的形成过程，学会编码，通过直观教学和教师的具体讲解，培养学生的逻辑思维和抽象思维能力；培养学生归纳总结问题的能力。
过程与方法目标：
掌握8位码的编制基本规律，掌握PCM编码方法，掌握纠检错码的形成方法，会简单的编制纠检错码。
情感态度价值目标：
通过对专业入门知识的生动形象的教学，使学生对本课程的产生浓厚兴趣，激发学生的学习热情,培养学生严谨认真的作风。
【教学重点】PCM8位码的编制，简单纠检错码的编制
【教学难点】学生空间想象能力的培养，13折线的应用
【教学方法】项目教学发
【教学学时】20课时
任务一：
数字通信基础知识
教学重点：
1．数字通信系统的组成及各组成部份的作用；
2．数字通信系统概念；
3．通信系统模型及分类；
4．数字通信的优缺点及性能指标；
5．常用的几种通信方式的现状和发展趋势。
教学难点：
数字通信系统的组成及各部分的作用。
教法：
采用“生活实例——分析概括——巩固提高”的教学模式
课时2
教学过程：
在人类活动中，信息的交流和传递称为通信。
现代通信主要是指电通信，用电信号来传递声音、图像，数据等。
随着科学技术的进步，特别是计算机技术应用到通信方面，电通信得到迅猛的发展。
在世界上通信行业并列于能源、交通、钢铁、农业成为第五大行业，伴随着建设信息高速公路的热潮，包括通信在内的信息技术服务行业，越来越受到人们的重视，成为现代信息社会的一个重要标志。
1通信系统的组成
基本概念:
通讯系统：
传递信号所需的全部技术设备
频带信号：
发送设备将信源产生的信号变换（正弦调制）以后的适于信道传输的信号
通信系统模型：
图1.1通信系统模型
要求;通过示意图详细讲解各分功能及作用让学生深入理解
2数字通信系统模型
基本概念：
1.信源编码：
对连续信息进行模拟/数字（A/D）转换
2.信道编码：
为了减少接收信号的错误判断出现概率而引入的编码
3.数字调制：
将数字基带信号调制到高频信号上的过程
4.同步：
指通信系统的收、发双方具有统一的时间标准，使它们的工作相协调
（一）、 数字通信系统模型
图1.2数字通信系统模型
（二）、数字通信系统的主要性能指标
信息传输速率：
每秒传送的信息量
频带利用率:
数字通信系统的效率不仅要看它们的信息传输速率，还要看传输这种信息所占的信道频带的宽度。
通信系统所占用的频带愈宽，传输信息的能力应该愈大。
所以真正用来衡量数字通信系统传输效率的有效性指标应当是单位频带内的传输速率。
举例。
。
。
。
。
。
（教师要结合例题详细讲解频带利用率）
误码率：
接收端收到的错误码元数在发送端发出的总码元数中所占的比例
在数字通信系统中（尤其是在信道中）存在噪声干扰，接收到的数字码元可能会发生错误，而使通信的可靠性受到影响。
对于数字通信系统的可靠性指标主要用误码率PS来衡量。
误码率的定义的接收端收到的错误码元数在发送端发出总码元数中所占的比例。
误码率定义为接收端收到的错误码元数在发送端发出总码元数中所占的比例。
用公式表示为：
（三）、数字通信的特点
1．抗干扰能力强，无噪声积累；
图1.3两类通信方式抗干扰性能比较
2．保密性能好；
由于数字信号是将模拟信号变成“0”和“1”码，再经不同组合后才进行传输的，因而无法直接识别，具有固有的保密性。
同时数字通信可以很容易地将复杂密码进行编码和解码，所以数字通信可以实现模拟通信无法达到的高质量保密性。
3．便于组成现代化数字通信网，便于实现多媒体通信；
由于各种信息（声音、图像、数据等）都可变换成统一的二进制数字信号，通过多路复用组合在一起，经同一信道传输而不互相干扰，故数字通信可以将各种业务和不同的终端用户组合在一个系统，形成综合业务数字网（ISDN—IntegratedServicesDigitalNetwork）。
综合业务数字网（ISDN）能实现两重任务：
一是各种通信业务的综合，二是数字传输与数字交换的综合。
由于直接与计算机联网，所以大大提高了通信效率
4．占用信道频带宽。
在模拟通信系统中，一路电话所占带宽为4kHz，当数字电话用PCM传输时，数码率为64kbit/s，频带为64kHz，后者是前者的16倍。
显然，它将使频带资源的利用率降低。
3通信技术的现状和发展趋势
要求：
详细讲解通信技术的现状和发展趋势
（一）、电缆通信：
电缆通信是最早发展起来的一种通信方式。
在光纤通信和移动通信发展之前，电话、电报、传真等用户终端与交换机的连接全靠市话中继电缆。
电缆曾是长途通信和国际通信的主要手段，大平洋、大西洋均有大容量的越洋电缆。
采用脉冲编码调制时分多路复用，在同轴电缆中的基带传输技术，使得数字电话容量可达6400路。
但由于光纤通信的发展，长途通信已被光纤通信所取代。
（二）、光纤通信：
光纤通信具有容量大、成本低等优点，能抗电磁干扰，与同轴电缆相比可以大量节约有色金属和能源。
每芯光纤通话路数高达百万路，中继距离达到100km。
我国近几年来光纤通信已得到了快速发展，我国已经不再敷设同轴电缆进行长途通信，新的工程将全部采用光纤通信新技术。
光纤通信的主要发展方向是单模长波光纤通信、大容量数字传输技术和相干光通信。
（三）、卫星通信：
卫星通信的特点是通信距离远，覆盖面积广，不受地理条件限制，且可以大容量传输，建设周期短、可靠性高等。
我国自20世纪70年代起，开始将卫星通信用于国际通信业务，从1985年起开始国内卫星通信。
目前已有多颗同步通信卫星与近200个国家和地区开通了国际卫星通信业务。
卫星通信的发展趋势是采用数字调制和时分多址。
向更高频段发展，采用多波束卫星和星上处理等新技术。
地面系统的主要发展趋势是小型化。
（四）、移动通信：
是现代通信中发展最为迅速的一种通信手段。
移动通信是现代通信中发展最为迅速的一种通信手段。
近10年来，在微电子技术和计算机技术的推动下，移动通信从过去简单的无线对讲或广播方式发展成为一个把有线、无线融为一体，固定、移动相互连通的全国规模，全球范围的通信系统。
移动通信的发展方向是数字化、微型化和标准化。
目前世界上存在多种不同的技术体制，互不兼容，因此标准化成为当务之急。
数字化的关键是调制、纠错编码和话音编码方式的确定。
微型化的目标是研制重量非常轻的多媒体个人携带手机。
（五）、微波中继通信：
容易架设，建设周期短。
微波中继通信始于20世纪60年代，它较一般电缆通信具有易架设，建设周期短等优点。
它是目前通信的主要手段之一，主要用来传输长途电话和电视节目。
微波通信的发展方向是采用数字通信方式，为了增加容量，提高频谱利用率，现已出现3256QAM26、1024QAM等超多电平调制的数字微波。
在40MHz的标准频道间隔内可传送1920~7680路PCM数字电话，赶上和超过模拟微波通信容量。
尽管微波通信受到光纤通信的严重挑战，但目前仍是长途通信的一个重要传输手段。
总 结1．数字通信系统的组成
2．数字通信系统的性能和优缺点
3．现代常用几种通信技术的现状和发展趋势
思考题1．试画出数字通信系统组成框图，并说明各部分的作用。
2．信息传输速率和频率有什么区别？
3．简述数字通信的主要优缺点，如何理解采用数字通信便于组成多媒体数字通信网？
4．举例说明现代通信的几种方式。
课后反思
1.学生反应这门课有点意思，原因是与现实生活联系紧密，因此要多讲例子
2.对二进制学生不知道，应先讲
3.算误码率时要注意时间问题
任务二：
脉冲编码调制（PCM）基本原理
学时：
6
教学重点1．模拟信号数字化的方法，脉冲编码调制（PCM）基本原理;
2．取样定理，计算取样频率和编码率;
教学难点脉冲编码调制（PCM）基本原理。
教法采用“媒体演示——分析概括——巩固提高”的教学模式
教学过程：
创设情景数字通信是以数字信号作为载体来传递信息的通信方式。
它的任务是将各种信息变换成数字信号后在数字通信系统中传输。
因此，在系统中必然包括两个重要的变换，一为模拟信号与数字基带信号之间的变换，二为数字基带信号与适合传输要求的信道信号之间的变换。
前一种变换多是由发或收的终端设备来完成的，它将连续信号或离散信号变换成数字的基带信号。
后一种变换则是由数字调制和解调器构成。
要求：
1.教师通过示意图详细讲解各部分功能
2.教师要结合例子和图表详细讲解调制过程加深学生印象和理解。
3.教师要结合例子讲授，让学生对脉冲编码调制过程深入理解，掌握脉冲编码调制过程
基本概念:
1．数字通信：
是以数字信号作为载体来传递信息的通信方式。
2．数字通信的任务：
是将各种信息变换成数字信号后在数字通信系统中传输。
3．数字终端技术：
是指由发或收的终端设备来完成的，将连续信号或离散信号变换成数字的基带信号的技术。
脉码调制或PCM:
1．脉码调制或PCM：
是脉冲编码调制的简称。
是实现模拟信号数字化的最基本最常用的一种方法。
2．脉码调制的任务：
是把时间连续、取值连续的模拟信号转换成为时间离散、取值离散的数字信号，并按一定规律组合编码，形成PCM信号序列。
3．模拟信号数字化过程一般用抽样、量化和编码三个步骤来完成。
（动画）
4．脉码调制通信系统方框图
图2.1脉码调制通信系统方框图
脉冲编码调制
（一）、取样
取样定理：
据奈奎斯特取样定理（简称取样定理）来确定取样时间。
取样定理描述为：
式中，fh为模拟信号的最高频率，fs为取样开关的频率，如果fs=2fh称为奈奎斯特速率。
（二）、量化
量化：
用有限个数的幅度取样值来取代原模拟信号无限个数的幅度取样值的取代过程。
量化误差：
由于量化而导致量化值和样值的误差，用e（t）=量化值—样值。
量化噪声：
由量化误差在重现信号时以噪声的形式表现出来的。
均匀量化：
量化级差是相等均匀的量化
非均匀量化：
是对大小信号采用不同的量化级差，即在大信号时采用大量化级差，小信号时采用小量化级差。
实现非均匀量化的方法之一是采用压缩扩张技术。
图2.2均匀和非均匀量化
（三）、编码：
8位码组的排列方式和名称：
图2.38位码组排列
（四）、解码：
把接收到的PCM码还原成幅度受调制的脉冲信号，即PAM信号，然后通过低通滤波器恢复成原模拟信号。
（五）、实用PCM编、解码集成块
总 结
1．模拟信号数字化
2．压缩编码
思考题1．为什么要量化？
量化误差与量化级差有什么区别？
2．什么是均匀量化和非均匀量化？
均匀量化有什么优缺点？
非均匀量化的基本原理是什么？
它能克服均匀量化的什么缺点？
教学反思：
学生结合图形思考问题的能力很差，不会看图，更不用说理解，因此要加大这方面的训练力度，要求学生多在本子上练习。
任务三：
自适应差值脉码调制ADPCM
学时：
4学时
授课类型：
理论讲授
教学重点：
1．差值脉码调制（DPCM）
2．自适应差值脉码调制（ADPCM）
3．增量调制（ΔM）的基本原理
教学难点：
差值脉码调制（DPCM）
教法：
采用“媒体演示——分析概括——巩固提高”的教学模式
教学过程：
创设情景PCM编码是按样值幅度独立地进行编码，不考虑相邻两个样值的相关性如何。
这种编码方式虽然能提供很高的通信质量，但都要采用8位编码，传输速率为64kb/s，占据的频带宽度为64kHz，大大高于模拟通信所占的频带宽度。
多年来人们一直致力于研究压缩数字化话音占用频带的工作，努力在相同质量指标的条件下，降低数字化话音数码率，以提高数字通信系统的频带利用率。
要求1.教师通过示意图详细讲解各部分功能及调制过程
2．老师根据演示图例详细讲解增量调制的原理3自适应差值脉码调制ADPCM
（一）、差值脉码调制（DPCM）原理
DPCM就是对样值的差值序列进行量化编码，它的实现有两个问题要加以解决，一是发送端要将样值序列转化为差值序列；二是接收端要将差值序列还原成样值序列。
图2.4自适应脉码调制（ADPCM）框图
工作过程：
信号f（t）经低通滤波器限带后，进行取样而变成离散的样值信号S（n），分别送入减法器和预测器。
预测器即为所有过去（n-1）个样值累加器。
得到的预测值即是相邻的前一时刻的样值，该时刻的样值S（n）与预测值S（n-1）相减，得出的差值d（n），经量化、编码送入信道。
信道中传输的信号就是差值（DPCM）信号。
传输到接收端后，经再生处理、解码变成差值信号d（n）,再与接收端预测器取得的所有过去（n-1）个样值信号累加的预测信号S（n-1）相加而得到S（n），经低通滤波器后恢复原信号f（t）。
（二）、自适应差值脉码调制（ADPCM）
在DPCM方式的基础上采取一些自适应措施来提高DPCM方式的质量，这种方式称为自适应差值脉码调制（ADPCM）。
自适应系统的增加可以大大提高DPCM系统的编码动态范围和信噪比，从而提高系统的传输性能。
自适应差值脉码调制（ADPCM）也有集成电路，广泛用于各种数字通信设备。
（三）、增量调制（△M）
增量调制△M是差值脉冲编码调制（DPCM）的一个特例。
它是指在差值脉冲编码调制中用一位二进制码来表示信号幅度的增减。
那么它就变成了增量调制（△M）。
其基本思想是用一个阶梯波来逼近一个模拟信号。
图2.5阶梯波逼近连续波
总 结：
差值脉码调制（DPCM）原理
增量调制（△M）
思考题：
试说明DPCM、ADPCM、△M的共同点和不同点。
试画出△M编码101011101001的波形
教学反思：
1.重点要讲清“自”的含义，对集成块的应用可以多讲一点
2．增量调制可以少讲一点。
3.把作业先讲一下，然后布置学生做。
任务四：
多路复用通信
学时4学时
教学重点：
1．时分多路复用原理，频分多路复用原理。
2．30/32路PCM基群帧结构，建立数字信号帧的概念;
3．30/32路PCM数字通信系统的组成。
教学难点30/32路PCM基群帧结构
教法采用“媒体演示——分析概括——巩固提高”的教学模式
教学过程
创设情景为了提高信道利用率，使多路信号沿同一信道传输而互不干扰，称为多路复用，目前多路复用的方法用得最多的有三大类，即频分多路复用、时分多路复用及码分多路复用。
要求：
1.教师通过示意图及动画详细讲解频分多路复用与时分多路复用的工作方式。
2.教师要详细详解30/32路PCM基群帧结构，建立数字信号帧的概念2.4多路复用通信
为了提高信道利用率，使多路信号沿同一信道传输而互不干扰，称为多路复用，目前多路复用的方法用的最多的有三大类，即频分多路复用、时分多路复用及码分多路复用。
（一）、多路复用的基本概念
频分多路复用（FDM）：
即频率分割制多路通信，是将输入端各路信号的频率调制到不同的高频段后，再汇合起来送至信道上传输。
时分多路复用（TDM）：
即时间分割制多路通信，在这个系统中，各路信号公用一个信道，轮流在不同的时间间隙进行传输。
图2.6频分多路与时分多路
图2.7PCM时分多路复用示意图
码分多路服用（CDM）：
是用一些伪随机码作信息的载体，不同路的信息被调制到不同的伪随机码上，根据伪随机码的相关特性，在接收端采用相关接收就可提取出自相关性强的本路信号，同时排除互相关性弱的其他路信号，将不同路的信息区分开来。
（二）、30/32路时分复用PCM系统
PCM时分复用30/32路数字通信系统：
是一个基本的数字通信系统，每帧分成32个时隙，共有30个话路时隙和一个同步路时隙及一个信令路时隙。
它的构成可以采用集中编码和分路编码，一般常用分路编码方案。
（三）、数字复接技术
数字复接：
是扩大通信容量的一种技术，它与PCM复用不同之处是基群数码没有改变，复接后改变了高次群的数码率。
数字复接系统由数字复接和数字分接部份构成，数字复接的方法有同步复接和异步复接。
总 结1．时分复用
2．频分复用
3．PCM时分复用30/32路数字通信系统
4．数字复接
思考题1．什么叫时分复用，它与频分复用的区别。
2．画出30/32路PCM基群帧结构。
3．数字复接系统由哪些部分组成，各部分的基本功能是什么？
教学反思：
1.对30、32的含义可以通过图形来说明
2.数字复结要形象化讲授，不要死报课本
任务五：
取样、量化
课时：
2
教学重点：
线、点之间的转换思考方法（连续信号的分割）
教学难点:
取样定律的应用
教学过程：
基本概念:
取样：
用有限个数的幅度取样值来取代原模拟信号无限个数的幅度取样值
非均匀量化：
对大小信号采用不同的量化级差
1.取样就是在信号的通路上加一个开关，按一定的速率进行开关动作，当开关闭合时，信号通过，开关断开时，信号被阻挡，这样就使通过开关后的信号变成了离散的不同幅度的脉冲信号，如图2.3所示。
我们将此信号称为脉冲幅度调制（PAM）信号。
因此应根据奈奎斯特取样定理（简称取样定理）来确定取样时间。
取样定理描述为：
举例：
在电话中传送数字化声音信号，声音信号的频带限制在300~3400Hz，fh=3400Hz。
其取样频率fs>3400×2，选定fs=8000Hz。
用此取样频率可在接收端无失真地恢复出话音信号。
2.量化用有限个量化值表示无限个取样值，总是含有误差的。
由于量化而导致量化值和样值的差称为量化误差，用e（t）表示，即
e（t）=量化值-样值
（1）．均匀量化均匀量化的实质是不管信号的大小，量化级差都相同。
其量化特性曲线如图2.4（a）所示。
（2）．非均匀量化非均匀量化是对大小信号采用不同的量化级差，即在大信号时采大量化级差，小信号时采用小量化级差。
图2.5示出了均匀量化和非均匀量化的区别，图2.5（a）中为均匀量化，均化级差固定，不随信号的大小变化。
图2.5（b）为非均匀量化，小信号时量化级差小，大信号时量化级差大
总结：
量化的分类，量化定律
作业：
课本30页第3、4题
教学反思：
奈奎斯特取样定理要反复举例加深学生的理解
多用比较法区分均匀量化与非均匀量化
任务六：
差错控制编码
学时2学时
授课类型理论讲授
教学重点：
1．差错控制编码的基本原理;
2．三种差错控制方式;
3．简单检纠错码、常用检纠错码差错控制的编码方法。
教学难点掌握差错控制编码的基本原理
教法采用“媒体演示——分析概括——巩固提高”的教学模式
教学过程：
在数字通信中，根据不同的目的，编码可分为信源编码和信道编码。
信源编码是为了提高数字信号的有效性以及为了使模拟信号数字化而采取的编码。
信道编码是为了降低误码率，提高数字通信的可靠性而采取的编码。
信源编码是去掉信源的多余度；而信道编码是按一定的规则加入多余度。
具体地讲，就是在发送端的信息码元序列中，以某种确定的编码规则，加入监督码元，以便在接收端利用该规则进行解码，从而发现错误、纠正错误。
要求：
1.教师通过示意图详细讲解纠错编码的基本原理
2.老师结合示意图及动画分析、讲解几种简单的纠、检错编码的纠错过程
3.结合图表简介几种常用的纠错编码
基本概念：
差错类型、纠检错码分类、差错控制方式、纠错编码的基本原理
一概述
课时：
4
差错类型：
分为随即错误、突发错误、混合错误三种。
（1）随机错误，也称独立错误，其特点是发生错误的码元互相独立，大多不会成片出现。
（2）突发错误，即一个错误出现往往影响后面的数据也出现错误，误码成片出现，错误之间有相关性。
（3）混合错误，随机错误和突发错误都占有相当的比例。
纠检错码分类：
根据编码的用途可以分成检错码和纠错码；根据信息码元处理的方法可以分成分组码和卷积码。
（1）根据编码的用途，可分成检错码和纠错码。
检错码以检错为目的，不一定能纠错；而纠错码以纠错为目的，一定能纠错。
（2）按对信息码元处理的方法不同，又可分成分组码和卷积码。
分组码的各码元仅与本组的信息元有关；卷积码中码元不仅与本组的信息元有关，而且还与前面若干组的信息码元有关。
其中分组码又还可分成汉明码和循环码。
差错控制方式：
有三种，即检错重发（ARQ）、前向纠错（FEC）和混合纠错（HEC）。
检错重发利用反向信道给一个信号重发认为错误的信息，前向纠错能判断错误码源所在的位置并自动纠正。
教学反思：
1.差错的控制方式讲解时应以方框图为依据，注重知识的内在联系
2.要求学生多读几遍，然后做练习
项目一检测题（2课时）
选择题
1.信源编码主要的任务有两个：
一是（），二是提高信号的传输效率。
A．模拟信号数字化B、数字信号模拟化C、提高频带的利用率
2、手机信号的传输信道是（）
A、有线信道B、无线信道C、天线
3、脉冲编码调制简称脉码调制或（），它包括取样、量化、编码。
A、DPCMB.ADPCMC.PCM
4、13折线A律采用均匀量化和非均匀量化相结合，共分（）段，这些段是形成段落码的依据。
A、8B16C32
5、为了提高信道的利用率，使多路信号沿同一信道传输而互不干扰，称多路复用，其中CDMA属于（）
A、频分多址B时分多址C码分多址
作图题
1、通讯系统由几部分组成？
用框图表示。
2、画出PCM8位码组排列的示意图
3、画出011010011信号的幅移键控调制波形图
问答题
1、简述数字信号频带传输的三种调制方式。
2、试述GSM.CDMA数字移动通信系统区别。
计算题
1．设在125微秒内传输256个二进制码元，计算信息传输速率为多少？
若该信息在5秒内有10个码元产生错误，试问误码率是多少？
2.某信号的取样值为+846△，编成8位二进制码时极性码和段落码分别是多少？
项目二数字信号的传输
【教学目标】
知识与能力目标：
基带传输系统的组成，各功能电路的作用，数字基带再生中继器组成框图、作用，码间干扰产生的原因及无码间干扰传输的条件，能画简单的码形图。
过程与方法目标：
以课本知识框架为基础，加强与先前内容的联系，掌握数字信号的基带传输特点。
情感态度价值目标：
通过数字信号的基带传输的教学，使学生对信号传输方法产生兴趣，激发学生对通讯技术学习的热情。
【教学重点】基带传输系统的组成及功能电路的作用，框图的构成，码间干扰产生的原因，编简单的码型
【教学难点】编码方法
【教学方法】项目教学法
【教学学时】38课时
任务一：
基带传输系统的组成数字基带信号
学时6+4学时授课类型理论讲授
教学目标1．知识目标
理解：
基带传输系统的组成。
了解：
简单传输码的波形并能叙述其特点，常用基带传输码的特点及编码规则。
码间干扰产生的原因及无码间干扰传输的条件。
教学重点1．基带传输系统的组成;
2．简单传输码的波形及特点;
3．常用基带传输码的特点及编码规则;
教学难点掌握基带传输系统的组成。
教法采用“媒体演示——分析概括——巩固提高”的教学模式
创设情景数字信号的基带传输没有频带传输应用得广泛。
但由于数字技术的发展，基带传输越来越广泛地被采用，同时频带传输系统同样存在着基带信号传输问题，使基带传输方式成为数字通信中最基本的传输方式。
教学要求：
教师通过示意图详细讲解各部分功能
教师要结合码型示意图和动画详
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